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電子云
沒有確定方向和軌跡的微觀粒子
電子是一種微觀粒子，在原子如此小的空間（直徑約10?1?m）內(nèi)運(yùn)動(dòng)，核外電子的運(yùn)動(dòng)與宏觀物體運(yùn)動(dòng)不同，沒有確定的方向和軌跡，只能用電子云描述它在原子核外空間某處出現(xiàn)機(jī)會(huì)（幾率）的大小。
基本信息
| 中文名 | 電子云 |
| 外文名 | electron cloud |
| 電荷 | 帶負(fù)電 |
| 本質(zhì) | 微觀粒子 |
| 特性 | 沒有確定方向和軌跡 |
| 速度 | 接近光速 |
| 大小 | 極小 |
| 學(xué)科 | 物理學(xué) |
收起
簡(jiǎn)介
電子云是物理和化學(xué)中的一個(gè)概念，就是用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)核外電子空間分布的形象描繪，它區(qū)別在于行星軌道式模型。電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運(yùn)動(dòng)那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運(yùn)動(dòng)軌跡。不能預(yù)言它在某一時(shí)刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個(gè)地方，只能知道它在某處出現(xiàn)的機(jī)會(huì)有多少。為此，就以單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)幾率，即幾率密度大小，用小白點(diǎn)的疏密來表示。小白點(diǎn)密處表示電子出現(xiàn)的幾率密度大，小白點(diǎn)疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負(fù)電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此被稱為“電子云”。在量子力學(xué)中，用一個(gè)波函數(shù)Ψ（ x， y， z）表征電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且用它的模的平方|Ψ|2值表示單位體積內(nèi)電子在核外空間某處出現(xiàn)的幾率，即幾率密度，所以電子云實(shí)際上就是|Ψ|2在空間的分布。研究電子云的空間分布主要包括它的徑向分布和角度分布兩個(gè)方面。徑向分布探求電子出現(xiàn)的幾率大小和離核遠(yuǎn)近的關(guān)系，被看作在半徑為 r，厚度為d r的薄球殼內(nèi)電子出現(xiàn)的幾率。角度分布探究電子出現(xiàn)的幾率和角度的關(guān)系。例如s態(tài)電子，角度分布呈球形對(duì)稱，同一球面上不同角度方向上電子出現(xiàn)的幾率密度相同。p態(tài)電子呈8字形，不同角度方向上幾率密度不等。有了pz的角度分布，再有 n=2時(shí)2p的徑向分布，就可以綜合兩者得到2pz的電子云圖形。由于2p和3p的徑向分布不同，2pz和3pz的電子云圖形也不同。
概念
電子云就是用小黑點(diǎn)疏密來表示空間各電子出現(xiàn)概率大小的一種圖形。
電子云出現(xiàn)的幾率大小
性質(zhì)
原子核周圍的空間，由于電子的運(yùn)動(dòng)而形成的陰電氣氛。描述原子或分子中電子在原子核周圍各區(qū)域出現(xiàn)的幾率。可以在圖像中用電子云密度(陰電氣氛的濃厚程度)來表示，以不同的濃淡點(diǎn)代表幾率的大小，其結(jié)果像電子在原子核周圍形成的云霧。電子云的空間分布也可用等密度面表示。
研究
電子云
|ψ|2表示電子在核外空間某處出現(xiàn)的幾率密度。幾率密度與該區(qū)域總體積的乘積就是幾率。電子云和核外空間某處電子出現(xiàn)的幾率有關(guān)，即與幾率密度有關(guān)。
核外電子各有自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，每種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都有相應(yīng)的波函數(shù)ψ1S、ψ2S、…和幾率密度|ψ1S|2、|ψ2S|2、……這些波函數(shù)和幾率密度各不相同，所以不同狀態(tài)下的電子都有其各自的電子云分布。
分布情況
①s電子云，是球形對(duì)稱的，在核外半徑相同處任一方向上電子出現(xiàn)的幾率相同。
仿真模擬3D電子云圖
③d電子云， n≥3時(shí)出現(xiàn)。
④f電子云， n≥4時(shí)出現(xiàn)。
表示方法
（1s電子）
①用ψ和|ψ|2隨 r的變化表示，圖形表明它們隨 r增大（離核遠(yuǎn)）而減小。
②電子云圖
以小黑點(diǎn)疏密表示電子在核外空間出現(xiàn)的幾率的大小。在核附近，電子出現(xiàn)的幾率密度最大，離核遠(yuǎn)處電子幾率密度小。
③等密度圖
④電子云界面圖
在核的周圍作一界面，在界面內(nèi)出現(xiàn)該電子的幾率大于90%，界面外出現(xiàn)該電子的幾率不足10%。對(duì)氫原子而言，界面本身就是一個(gè)等密度面。
把以直角坐標(biāo)表示的波函數(shù)轉(zhuǎn)換為以球坐標(biāo)ψ（ r， θ， φ）表示。電子在任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用一組ψ（ r， θ， φ）表示(圖3)。ψ有三個(gè)變數(shù)，不易用空間圖象表示，但可從ψ或|ψ|2與半徑 r和角度 θ， φ兩個(gè)方面的關(guān)系來討論，即：
ψ（ r， θ， φ）= D（ r） Y（ θ, φ）
①?gòu)较蚍植己瘮?shù)
作離核距離為 r，厚度為d r的薄層球殼(圖4a)，作4π r2|ψ|2【以 D( r)表示】和半徑 r的對(duì)畫圖（圖4b）。 D( r)是 r的函數(shù)，稱為徑向分布函數(shù)，它表示在離核半徑為r的球面上單位厚度球殼中電子出現(xiàn)的幾率。對(duì)于氫原子，在53pm處 D( r)有一極大值。這是因?yàn)?r<53pm時(shí)，4π r2小； r>53pm時(shí)，|ψ|2小；所以4π r2|ψ|2都小于極大值。
②角度分布函數(shù)
從坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，引出方向?yàn)? θ, φ)的直線，取 Y值，作 Y2隨 θ、 φ變化的圖，得電子云的角度分布圖。
模型
電子云模型
能量
同一能態(tài)，各電子云對(duì)應(yīng)的體系能量相同。
新發(fā)現(xiàn)
我國(guó)旅美科學(xué)家汪正民博士在激光與原子體系相互作用領(lǐng)域發(fā)展了一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在國(guó)際上首次獲得原子體系連續(xù)態(tài)不同電子云影像，直接驗(yàn)證了量子力學(xué)的理論；通過分析實(shí)驗(yàn)上得到的與理論上計(jì)算的影像，首次完整地獲得了連續(xù)態(tài)波函數(shù)的相對(duì)相位等三個(gè)微觀原子參數(shù)，所得到的結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了量子虧損理論。汪正民與丹·埃里奧特博士合作的兩篇有關(guān)論文發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》和《物理評(píng)論a輯》上。
隨著原子物理學(xué)研究的深化，到了20世紀(jì)70年代一個(gè)重要的研究領(lǐng)域是通過激光與原子相互作用，使原子多光子離化來進(jìn)行光電角分布的研究。這是研究原子和分子結(jié)構(gòu)以及光與物質(zhì)相互作用的有力工具。與此同時(shí)，人們也開始用這一方法研究多光子離化過程中激發(fā)到連續(xù)態(tài)的各離化通道的相對(duì)離化截面和不同波函數(shù)間的相對(duì)相位等三個(gè)原子參數(shù)。長(zhǎng)期以來，國(guó)際上都是用線偏振光進(jìn)行傳統(tǒng)方法光電子角分布的測(cè)量。但這一方法尚需借助其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果或有關(guān)假設(shè)，因此使用線偏振光這種傳統(tǒng)的測(cè)量方法難以得到可靠而確定的參數(shù)。
汪正民發(fā)展了一項(xiàng)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)技術(shù)成功地解決了這一難題。其試驗(yàn)裝置的主要部分是用一特制的光電子成像系統(tǒng)，收集在原子多光子電離過程中在激光與原子相互作用區(qū)向全空間發(fā)射的光電子。并通過改變激光的偏振態(tài)，在光電子成像系統(tǒng)的熒光屏上得到不同電子云的平面影像（見右圖）。這些影像包含了原子躍遷的全部信息。這是該項(xiàng)研究在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的關(guān)鍵性工作。為了從實(shí)驗(yàn)得到的電子云影像中獲得這些原子參數(shù)，他們根據(jù)量子力學(xué)的原理建立了任意偏振態(tài)激光雙光子離化的光電子角分布理論。按照這一理論，可計(jì)算出橢圓偏振光與銣原子相互作用產(chǎn)生的光電子所得到的電子云影像。再通過對(duì)由實(shí)驗(yàn)得到的電子云影像與理論計(jì)算得到的電子云影像的數(shù)據(jù)處理，同時(shí)獲得了原子在雙光子離化過程中的三個(gè)原子參數(shù)：連續(xù)態(tài)波函數(shù)s波和d波的相對(duì)相位：連續(xù)s態(tài)和d態(tài)的相對(duì)光離化截面和連續(xù)d態(tài)的兩個(gè)精細(xì)態(tài)之間相對(duì)離化截面。在相當(dāng)寬闊的激光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，該工作得到的波函數(shù)的相位與根據(jù)量子虧損理論計(jì)算的結(jié)果極為符合，從而直接驗(yàn)證了量子虧損理論。
這項(xiàng)研究工作被國(guó)際同行稱為“發(fā)展了一個(gè)完整確定原子參數(shù)，頗為有趣、有前途的新方法”、“提出了研究原子多光子離化細(xì)節(jié)的新途徑”。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者赫伯特·查爾斯·布朗(Herbert C. Brown)教授稱贊這些成果為“激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)”。
概率密度
氫原子電子云
現(xiàn)已經(jīng)證明電子在核外空間所處的位置及其運(yùn)動(dòng)速度不能同時(shí)準(zhǔn)確地確定，也就是不能描繪出它的運(yùn)動(dòng)軌跡。在量子力學(xué)中采用統(tǒng)計(jì)的方法，即對(duì)一個(gè)電子多次的行為或許多電子的一次行為進(jìn)行總的研究，可以統(tǒng)計(jì)出電子在核外空間某單位體積中出現(xiàn)機(jī)會(huì)的多少，這個(gè)機(jī)會(huì)在數(shù)學(xué)上稱為概率密度。例如氫原子核外有一個(gè)電子，這個(gè)電子在核外好像是毫無規(guī)則地運(yùn)動(dòng)，一會(huì)兒在這里出現(xiàn)，一會(huì)兒在那里出現(xiàn)，但是對(duì)千百萬個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)而言，電子在核外空間的運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，在一個(gè)球形區(qū)域里經(jīng)常出現(xiàn)，如一團(tuán)帶負(fù)電荷的云霧，籠罩在原子核的周圍，人們稱之為電子云。這團(tuán)“電子云霧”呈球形對(duì)稱，如下圖所示。電子云是電子在核外空間出現(xiàn)概率密度分布的一種形象描述。原子核位于中心，小黑點(diǎn)的密疏表示核外電子概率密度的大小。
s、p、d、f電子云示意圖
p層軌道電子云示意圖
d層軌道電子云示意圖
f層電子云示意圖
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